Отрицательный потенциал сосредоточен над срезом горелки, положительный с внешней стороны от фронта пламени. Значения потенциалов по абсолютному значению велики и достигают 210 мВ.
Наблюдаемая локализация положительных и отрицательных зарядов объясняется тем, что продиффундировавшие в свежую смесь электроны, возникшие при хемоионизации, захватываются молекулами кислорода с образованием ионов . Подвижность отрицательных частиц уменьшается. Вследствие чего положительные ионы с массой меньшей, чем , разлетаются на большие расстояния, чем отрицательные. С ростом коэффициента избытка окислителя ? в хемилюменесцентой зоне концентрация ионов содержащих кислород увеличивается и имеет максимум при ??1, а концентрация безкислородных ионов быстро падает. В работах [21, 19, 6] указывается на высокие градиенты концентрации ионов на границе хемилюминесцентной зоны, особенно со стороны области догорания.
В области подготовки на расстоянии до нескольких миллиметров от внутренней границы хемилюминесцентной зоны достигает максимума концентрации (73 а.е.м.), или (95 а.е.м.), или (109 а.е.м.) и других тяжелых ионов, которые появляются по мнению авторов [2,1] в процессе ионной конденсации или трехчастичной ассоциации. Однако результаты экспериментов [19], где получено, что профили концентраций ионов хемилюминесцентной зоны и области подготовки при опреде-ленных ? и р пространственно разделены, противоречат этим предположениям и позволяют сделать вывод о наличии процессов ионизации электронами в области подготовки. Однако неясно, каким образом электроны, обладая по данным [13,19,6,8] средней энергией 2-2.5 эВ могут вызывать ионизацию.
Картина электрического поля блюдцеобразного пламени отличается от картины поля колоколообразного пламени. На рис. 8. приведено экспериментальное распределение потенциалов при горении пропана в воздухе в режиме недостатка окислителя. Области с различными потенциалами обозначены разной темнотой заливки. Отрицательный потенциал находится над фронтом пламени, который изображен тёмной линией. Светлый прямоугольник означает срез внутренней трубы горелки. Порядок потенциалов составляет десятки мВ, значение максимального положительного = 70 мВ, максимального отрицательного = 90 мВ. Основываясь на этом, произ-едена градация оттенками серого цвета. Более светлые - это области положительного потенциала. Более темные - области отрицательного потенциала.
Под пламенем и непосредственно над срезом горелки над горючим положительный потенциал, причем максимальное значение он принимает над срезом с выходом горючего. Само пламя нейтрально. Непосредстенные замеры в этом месте затруднительны и не точны.
Авторы работы [20] провели исследование распределения электрического потенциала в пламенах метана и пропан-бутана. Проведенное зондирование пламён указывает на наличие двойного электрического слоя при реализации диффузионных пламен. Особенно велики градиенты потенциала в пределах “голубого” пламени. Снаружи пламя имеет положительный потенциал, а внутри - отрицательный. При реализации пропан - бутано-ого пламени величина максимального замеренного отрицательного потенциала равна 24 мВ. Интересны замеры упругости поверхностей, ограничивающих область активного протекания процессов. Измеренное при помощи механотрона сопротивление перемещению зонда при соприкосновении его с поверхностью “голубого” конуса на 3-4 порядка превышало сопротивлению перемещению зонда при соприкосновении его с эквивалентной по физическим параметрам свободной среды.
Величины сопротивлений поверхностей “голубого” конуса находились в пределах 1-10 г·см-2, а расстоя-ние между внутренней и внешней поверхностями равно 0.2-1 мм. При изменении коэффициента избытка воздуха от 0.4 до 1.2 отмечено почти линейное увеличение этого расстояния и величины сопротивления в 2-3 раза. Поверхность, где соприкасаются области положительного и отрицательного заряда, оказывает наибольшее сопротивление перемещению. Это объясняется наличием двойного электрического слоя. Имеет место различие молекулярного состава непосредственно прилегающих друг к другу, но обладающих противоположным зарядом областей пламени [17].
Распределение потенциалов при горении пропана в смеси гелия и кислорода приведены на рис. 9. Градация областей потенциала оттенками серого цвета аналогична рис. 8. Следует отметить резкое падение значений потенциала, а также изменение поля пламени. Если при горении пропана в воздухе наблюдалось три ярко выраженные области существования потенциала (две положительные и одна отрицательная), то при горении пропана в смеси гелия и кислорода наблюдаются две зоны противоположного знака.
В случае горения пропана в воздухе отрицательно заряженная область образуется непосредственно над фронтом горения, а при горении в смеси кислорода с гелием отрицательно заряженная область располагается в центральной части фронта пламени. Порядок концентрации зарядов 109 см-3, что согласуется с данными, полученными по исследованию кинетических пламен [22].
Пространственное распределение зарядов при горении пропана в воздухе приведено на рис. 10. На рисунке темным цветом обозначены области сосредоточения отрицательно заряда, светлым - положительного. Естественно, что области с одинаковой концентрацией заряда имеют туже форму, как и эквипотенциальные области. Отчетливо наблюдается область сосредоточения отрицательного заряда над фронтом пламени.
Распределение плотности электрического заряда в пламени пропана в смеси кислорода с гелием (рис. 11) отличается порядком величин и пространственным расположением.
Таким образом, показана зависимость распределения электрического потенциала в области горения диффузионного пламени от природы инертной добавки в составе окислителя. Разность потенциалов пропорционально зависти от малярной массы инертного разбавителя. Использование инертного разбавителя с меньшей молярной массы ведет к уменьшению плотности зарядов в квазистационарных областях пламени, величина избытка окислителя в данных опытах поддерживалась постоянной. Необходимо отметить, что при рассмотренных режимах горения наблюдаются отрицательная и положительная области потенциала, разделенные фронтом пламени. Можно также предположить, что такая разница между распределениями зарядов является следствием отличая свойств (потенциала взаимодействия, теплопроводности, теплоемкости) инертного разбавителя.
Литература
1. H.F. Calcote. Comb. Flame. 1980. Vol.42. No.3. P.215.
2. I.M. Goodings, S.D. Tanner, D.K. Bohme. Can. J. Chem. 1982. Vol.60. No.22. P.2766.
3. S.M. Reshetnikov. Calculation of the effective height of the diffusion flame. Combust. Expl. Shock Waves-Enal. 30/3 (May-Jun 1994). P.292-294.
4. Аравин Г.С., Власов П.А., Карасевич Ю.К., Маколкин Е.В., Нейгауз М.Г. Исследование механизма химической ионизации при высокотемпературном окислении метана в ударных волнах. ФГВ. 1982. №1. С.49-57.